По мере того как развивалась американская космическая программа, важная роль Вернера фон Брауна как главного создателя ракеты «Сатурн» становилась все более очевидной. В тот момент он занимал ведущее положение в НАСА. Ранее, в январе 1958 года, новаторская команда, состоящая из немецких ученых-ракетчиков, отправила в космос первый американский искусственный спутник «Эксплорер-1», компенсируя неудачный старт «Авангарда» в 1957 году, свидетелем которого было множество людей. Во время этого триумфа фон Браун уже задумывал и планировал время, когда Соединенные Штаты будут посылать астронавтов, научные автоматические космические станции и различные очень тяжелые полезные грузы в захватывающие путешествия на околоземную орбиту и далеко за ее пределы. Весной 1957 года, за несколько месяцев до запуска первого советского космического спутника, фон Браун и его хантсвильская команда начали работу над проектированием новой мощной ракеты-носителя, имеющей несколько двигателей и способной нести полезный груз, значительно превышающий по массе все предыдущие достижения. Запуск в октябре первого советского искусственного спутника придал фон Брауну новый импульс, и предложенный им сверхмощный ускоритель продолжали разрабатывать, получив на это финансирование в августе 1958 года.
Привлекательность предложения идеи фон Брауна, реализованной в виде проекта «Сатурн-1», заключалось в самой концепции: новая ракета будет использовать уже существующие компоненты как строительные блоки, чтобы создавать колоссальную подъемную силу для нового поколения ракет-носителей с большой полезной нагрузкой. Первая ступень «Сатурна-1» состояла из восьми ракет-ускорителей «Рэдстоун», каждая из которых имела ракетный двигатель Н-1 — модернизированную версию двигателя, используемого военной ракетой «Юпитер». Все вместе двигатели создавали мощную подъемную силу в 685 т. Двигатели и система топливных баков, содержащих жидкий кислород и керосин, располагались блоком вокруг центральной ступени, которая представляла собой модифицированную ракету «Юпитер». Фон Браун и его коллеги в шутку называли первую ступень «батареей последней линии обороны». Вторая ступень «Сатурна-1» работала на четырех двигателях, которые поглощали жидкое топливо, состоящее из жидкого кислорода и жидкого водорода — смеси, создающей бóльшую тягу, чем смесь жидкого кислорода и керосина. Однако эта смесь была очень летучей, очень сложной в производстве и требовала особого обращения.
Когда фон Браун и его команда приступили к работе над «Сатурном-1», они все еще числились в Управлении баллистических ракет сухопутных войск (УБРСВ). Программа «Сатурн» была передана НАСА в конце 1959 года, а следом, в 1960 году, туда перешло и УБРСВ, несмотря на ожесточенное сопротивление военных, которые не желали отказываться от своей космической программы. Военный ракетный полигон в Хантсвилле, штат Алабама, был переименован в Центр космических полетов НАСА имени Джорджа Маршалла, а фон Браун стал его руководителем. В течение этого периода его преданные сотрудники не раз ощущали неуверенность в своем будущем, но фон Браун не изменял своих заверений. Он уверял их, что не сомневается в реализации проекта посадки на Луну, в котором его команда будет играть главную роль. События в точности подтвердят его заявления: начало разработки программы «Сатурн» стало важной вехой на пути к Луне.
Хотя фон Браун был важной фигурой в организации НАСА, он не был единственным, кому принадлежал успех пилотируемой лунной программы. Он был частью команды. Чтобы двигать вперед американскую космическую программу в 60-х годах, требовались объединенные творческие усилия, управленческий опыт и умение, блестящий ум и дальновидность таких людей, как Уэбб, Гилрут, Филипс, Хоуболт, Драйден и многих других.
«Сатурн-1», воплощенная концепция мощной ракеты с множеством двигателей, совершил 10 успешных полетов, начиная с октября 1961 года. Его преемник «Сатурн-1Б» был оснащен более мощными двигателями первой и второй ступени. В январе 1968 года он отправил в полет «Аполлон-5», выведя на околоземную орбиту лунный модуль и не пилотируемый прототип лунного спускаемого аппарата.
«Сатурн-1» и «Сатурн-1Б» служили, в сущности, для подготовки главного события: запуска «Сатурна-5», ракеты, которая благополучно доставит людей на лунную поверхность. «Сатурн-5» поразил всех изяществом инженерной конструкции, беспрецедентной во всех отношениях. Его высота была 111 м; при полной загрузке он весил 2630 т; все его одиннадцать двигателей в трех ступенях создавали тягу почти 4000 т. Первая ступень содержала пять двигателей F-1, работавших на смеси керосина и жидкого кислорода, каждый из которых создавал тягу 680 т. Вторая ступень имела пять двигателей J-2, работавших на жидком кислороде и жидком водороде, а третья ступень имела один двигатель J-2. Мощные двигатели «Сатурна-5» могли вывести на околоземную орбиту более 124 т полезного груза и отправить к Луне 50 т со скоростью 40 000 км/ч. Каждое действие по подготовке этой ракеты-носителя было уникальным: для ее сборки в вертикальном положении на мысе Канаверал потребовался 52-этажный корпус, далее ее везли и устанавливали на стартовой площадке. Некоторые сравнивали «Сатурн-5» с пирамидой Хеопса в Древнем Египте, отмечая, что греческому историку Геродоту во время его визита в Египет в 450 году до н. э. сообщили, что ее создали тяжелым трудом 400 000 человек. В 60-х годах, спустя почти 2500 лет, на НАСА по проекту «Аполлон» работало почти то же количество людей, и «Сатурн-5» стал самым наглядным результатом их труда.